定向接收低冲突率水声网络媒体接入控制协议

郑茂醇 韩 笑 葛 威 孙 瑶 殷敬伟

①(哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室 哈尔滨 150001)

②(海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学) 工业和信息化部 哈尔滨 150001)

③(哈尔滨工程大学水声工程学院 哈尔滨 150001)

1 引言

近年来，水声网络(Underwater Acoustic Network, UAN)受到日益广泛的关注[1]。媒体接入控制(Medium Access Control, MAC)协议作为水声网络中重要的组成部分，负责保证将数据包正确交付到下一跳节点。如何通过优化调度机制最大化网络吞吐量是UAN-MAC协议的研究热点和难点[2,3]。UAN-MAC协议面临水声信号的长传播时延、较低的传输速率和动态多变的通信环境带来的挑战[4]。

在法律效力上，《中华人民共和国城乡规划法》属于行政法范畴，其地位仅次于宪法。《城市绿化条例》《风景名胜区条例》是法律效力低于宪法和法律的行政法规，在中国立法体制中具有重要地位，是仅次于法律的重要立法层次。部门规章作为法律和行政法规的补充形式，对它们的内容进行了细化与具体化，便于法律法规更好地实施。

而在社会经济发展过程中，区间经济发展的不均衡问题也较为显著，在珠三角地区以及粤东西北地区存在显著的差异，这样就造成了城市旅游效率的差异等问题。

在UAN-MAC协议的研究中，竞争式访问模式备受关注，该模式在高动态性的分布式水声网络拓扑场景中适用性较高。竞争式MAC协议分为基于随机接入ALOHA类和基于请求发送(Request-to-Send, RTS)/清除发送(Clear-to-Send, CTS)的握手类协议[5]。时隙ALOHA是ALOHA协议的改进[6]，它将网络时间划分为相等的时隙，且节点只允许在时隙开始时发送数据。文献[7]揭示了水下时隙ALOHA协议存在的无冲突场景下的时间耦合关系，并提出了一种低复杂度的启发式调度算法，在星型网络中提升了水下时隙ALOHA的网络性能。而在随机分布的拓扑场景中，基于握手模式的MAC协议具有更好的适应性[3]。该模式在发送数据前进行信道预约，以满足无冲突或低冲突网络通信。时隙地面多址接入(Slotted Floor Acquisition Multiple Access, Slotted-FAMA)[8]和冲突避免多址接入(Multiple Access Collision Avoidance for Underwater, MACA-U)[9]是UAN中两种典型的基于握手机制的MAC协议。Slotted- FAMA协议通过分时隙预约发送机制,以最大传输距离作为划分时隙的依据，很好地解决了节点通信隐藏终端问题。但是，最大的时隙长度将导致大量的空闲信道资源。因此，Slotted-FAMA协议的信道利用率和网络吞吐量相对较低。MACA-U协议采用基于状态转移的节点决策模式，节点随网络状态的转移而采取不同的策略，因此信道利用率较高。在全向通信技术背景下，握手机制虽然可以减少冲突的发生，但是仍存在空闲信道浪费和空间复用度较低的问题。

由于水声定向通信技术的发展，定向通信的MAC协议受到研究者的日益关注。与全向收发网络不同，基于定向通信的UAN通过较高网络资源的空间复用度提升协议的网络吞吐量[10]。文献[11]分析了定向通信下UAN的理论中断概率，推导了浅海多径效应下定向通信网络容量。文献[12]针对邻居节点发现机制存在的问题，提出了基于定向收发的邻居节点发现机制，克服“聋”节点问题，提高了邻居节点的发现效率。文献[13]提出一种全双工定向碰撞避免MAC协议，利用在不同的工作频带下的定向通信技术解决“聋”节点问题，抑制“暴露终端”的问题。

文献[11-13]中均采用基于多模态水声换能器的定向收发技术。而近年来声矢量传感器的偶极子指向性及指向性电子旋转技术备受关注[14]。在水声通信中利用声矢量传感器声压和振速联合加权处理带来的空间增益，有效抵消各向同性干扰、提高解码信噪比和降低误码率[15]。若将声矢量传感器应用于UAN中，可以利用其空间指向性实现定向接收某个方向上的信号，即利用其空间复用的优势进行通信[15,16]。

从图2(a)-图2(c)可以得出，在定向接收模式下，当干扰端 TXi方位低于 90°或距离小于 0.5 km时对RX0的干扰较大，当干扰端 TXi方位大于 90°和距离大于 0.5 km 时对 RX0的干扰较小；方位范围为[160°,180°] 时虽然处于主波束范围外但由于 180°处存在旁瓣导致存在较大的中断概率。从图2(d)-2(f)中看出，在定向接收模式下，当d0较小时，接收波束范围外的 TXi对于 RX0的干扰程度显著小于全向接收模式；当d0超过1.4 km时，即使在定向接收模式下，其受到其它节点的干扰仍然较大。综上所述，若采用定向接收模式可以有效降低一定方位和距离范围内的干扰，但干扰端应根据实际的干扰方位和通信距离判断是否对接收端产生干扰，在设计UAN-MAC协议时节点需要对定向接收链路的抗干扰能力进行判别。

(1) 推导了矢量水听器指向性接收下的水声网络中断概率，验证了矢量水听器在UAN中定向接收的有效性和可行性。

(2) 利用矢量水听器定向接收的空间复用特性，提出一种定向接收模式下的握手机制和节点状态转移策略，缩小静默节点的范围，提升网络的容量。

党中央、国务院十分重视药品标准工作，迄今已经颁布实施10版药典，而且，国家药品监督管理局经过多年的努力，对地方药品标准分期分批进行了整顿，实施了地方标准上升国家标准以及国家药品标准提高行动，为建立健全国家药品标准体系，提高我国药品质量水平，促进医药产业转型升级，保障公众用药安全发挥了重要作用。但由于我国药品品种繁多，尤其是中药材、中成药成分复杂，许多研究工作基础薄弱，中药材、中成药质量标准提高的难度大、任务艰巨。药品监督抽检发现部分试行标准至今尚未转正。

2 定向接收技术

2.1 声矢量信号处理

矢量传感器可以同步共点地获得声场的标量和矢量信息，增加了信息种类和数量，扩展了后置信号处理空间，且矢量传感器可以实现声压水听器阵才能测量的目标方位信息，具有良好的指向性[17]。

在满足声学欧姆定律条件下，2维矢量水听器输出模型为

式中，t是网络时间，x(t) 为目标信号，p(t)为声压信息，vx(t)和vy(t) 是振速分量，θ为信号的水平入射角度。根据文献[17]所述，通过电子旋转vx和vy，引导方位为目标方位ψ，得到组合振速vc和vs：

2、拓宽资金筹集渠道。为解决土地增值收益长期“取之于农、用之于城”的问题，严格贯彻落实中共中央、国务院《关于实施乡村振兴战略的意见》里提到的要将更多的土地出让收入用于支持“三农”以及将高标准农田建设等新增耕地指标和城乡建设用地增减挂钩节余指标跨省域调剂收益，通过支出预算全部用于支持实施乡村振兴战略及巩固脱贫攻坚成果。

(2) 某个节点收到发送给其它节点的CTS包(xCTS)时，需要根据 IT值判断是否会对该定向接收通信链路产生影响。若该定向通信链路的发送端是该节点的邻居节点，则该节点需在τ+TDATA时间内禁止主动竞争信道。

图1 基于单矢量水听器的定向接收技术

2.2 定向接收下的网络中断概率分析

虽然矢量传感器的指向性接收波束可以定向接收某个方位的信号，但是如图1(a)所示，方位范围为240°～300°内存在明显旁瓣且指向性波束宽度较大，导致并发通信链路间可能存在同频干扰。本文通过建立节点中断概率模型分析所使用的定向接收技术的抗干扰能力，以验证网络化应用的可行性。

如图1(b)所示，若干个传感器节点随机分布在2维水平面内，每个节点使用Aloha协议接入网络。设存在一对发送端 TX0和接收端 RX0， RX0的矢量水听器接收波束极大值方向指向 TX0。以 RX0为圆心，半径r ∈[Rmin,Rmax] ，方位角θ ∈[φmin,φmax]组成的灰色区域A内存在K个 干扰端 TXi(i=1,2,...,K)，其中，Rmin和Rmax分别为区域A内节点间最小和最大通信距离，φmin和φmax分别为区域A内节点最小和最大入射方位。

在全向接收模式下，接收端 R X0处的接收信号可以表示为

其中，ν是通信载波频率，di是 TXi到 RX0的欧氏距离，Hi(di,ν) 是 TXi信号到达 RX0的信道增益，xi表示T Xi发送的信号；N0表示加性高斯白噪声。

(a) 节点nq提取CTS包中的接收方位信息，结合在线测得的节点nj方位信息，利用三角关系可计算出干扰方位 ∠ijq。

在给定的区域A内，fI1|z(x|z) 为位置z时干扰功率x的概率密度，fz(z) 为位置z的概率密度，则fI1(x)为

假设干扰端 TXi与接收端 RX0接收指向方向的夹角为θi，指向性接收采用p+2vc的矢量组合模式，则干扰端 TXi发送的信号在接收端 RX0处的输出为

根据文献[19]可知发送端 TXi发送的水声信号在接收端处的信道增益Hi(di,ν)服从复高斯分布，该分布的方差为

其中，α是与海洋地理环境有关的传播系数，a(ν)-di是与距离di和频率ν有关的吸收系数。

接收端 RX0处的信干噪比(SINR)模型表示为

其中，PTX表示发送端 TXi的发送功率，PN表示接收端RX0处的噪声功率。设声压噪声功率为，则其振速噪声功率为/2 ，在p+2vc线性组合中噪声功率为3，所以PN在全向和定向接收模型下的值分别为和3。θj表示发送端TXj到接收端RX0的方位与 R极大值指向方位之间的夹角，G(θj)表示该方位夹角θj产生的空间增益，G(θj)取值为式(8)所示。

假设Ik为K个干扰端在接收端 RX0处的干扰功率之和，则有

位置z可由干扰端到接收端 RX0的距离r和水平入射角θ表示，则fI1(x)变换为

其中，η0=d0αa(ν)d0，r0=G(0)PTX/PN，fIK(x)表示IK的概率密度，MIK(s) 表示IK的矩量母函数(Moment Generating Function, MGF)。根据文献[20]可知，由于干扰信号的独立性，fIK(x)为fI1(x)的k重卷积(如式(11)所示)，所以IK的MIK(s)与I1的MI1(s)的关系如式(12)所示。

2.1 不同恶性肿瘤疾病组血浆Hsp90α表达水平比较 各恶性肿瘤疾病组血浆Hsp90α表达水平均明显高于健康对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，见图1。

由于Hj(dj,ν)服 从复高斯分布，则I1服从指数分布，即I1～E(λ) ，其中λ=dj-αa(ν)-djPTXG(θj)。为保证正确接收到发送端 TX0的信号，在接收端处的信干噪比需大于一定的解码门限Zth。在接收端RX0处发生通信中断的概率为

其中，fR(r)和fΘ(θ) 分别是r和θ的概率密度函数，fI1|r,θ(x|r,θ)是r和θ条件下I1的概率密度函数。根据随机几何原理，fR(r)与fΘ(θ)分别为

根据式(13)-式(15)且I1服从指数分布，则I1的MGF表示为

将式(16)代入式(10)可得出定向接收模式和全向接收模式下的中断概率。设ν=15 kHz，α=1.76,PTX/PN=60 dB,Rmin=0.2 km,Rmax=2 km。基于以上参数，当干扰节点数量为0且d0为 2 km时 RX0处的接收信噪比大约为5 dB，所以Zth设置为5 dB。从图1(a)可知指向性接收波束主瓣3dB宽度约为110°，所以干扰端在 RX0处的入射方位最大范围设置为 [55°,305°]。在UAN场景中节点密度较为稀疏，干扰节点数量K从1 到3可满足实际应用。当K=1时不同干扰方位范围 [φmin,φmax] 和距离范围[Rmin,Rmax]的网络中断概率如图2(a)-图2(c)所示，在不同d0和K条件下的全向和定向模式下的网络中断概率如图2(d)-图2(f)所示。

翻转课堂起源于国外，国内相关研究起步相对较晚，可以说国外的研究趋势是国内研究的风向标，了解国外文献研究方向，对国内研究具有重要的指导意义。我们在对翻转课堂进行了深入细致的理论溯源之后，结合其他国外有关翻转课堂的研究文献，尤其是大学层面的研究，不难发现已经产生了三大主要研究趋势：

图2 网络中断概率

基于矢量水听器(采用声矢量传感器为接收器的水声换能器简称为矢量水听器)的定向接收特性，本文提出一种定向接收低冲突概率UAN媒体接入控制协议(DRLCP-MAC)。本文主要工作如下：

3 协议设计

3.1 协议简介

本文DRLCP-MAC协议定义3种数据包：请求发送包(R T S)，清除发送包(C T S)和数据包(DATA)。本文协议认为网络数据传输失败只能由数据包碰撞引起，不考虑数据在水声信道中发生传输错误的情况。在DRLCP-MAC中，当某一个节点S需要发送数据时，需要在竞争窗口时间内侦听信道。若未侦听到其他节点发送CTS包，则在竞争时间结束后发送RTS包。当目的接收端节点R接收到RTS包后，通过在线测到信源节点S的方位角α，将矢量水听器的极大值方向指向该方位。节点R将方位角α和接收功率等相关信息写入CTS包中，全向发送该包并进入等到DATA包状态。其它节点接收到CTS包后，提取发送节点方位角和功率等信息，计算是否会影响节点R接收数据。若不影响，则丢弃该包。若影响，则进入静默状态。节点S接收到CTS包后，在线测得信源方位角β，将极大值方向指向该方位。节点S全向发送DATA包。节点R接收到DATA包后完成此次数据传输。

3.2 定向接收模式下的握手机制设计

如图3所示，在全向接收模式下，当节点ni一跳内的邻居节点nc接收到其发送的RTS包时，作为节点ni的邻居节点应保持静默状态。节点ni的邻居保持静默的原因是邻居节点发送数据可能影响节点ni接收CTS包。由于节点nc接入信道时需要进行握手流程，节点ni接收CTS包主要受到节点nc发送的RTS或CTS包的影响。由于水声网络传播时延较大而控制包长度较小，所以节点nc发送的控制包与节点ni处的CTS包发生冲突的概率较小。

图3 RTS/CTS握手机制示意图

当节点nj接收到RTS包后，将接收波束的极大值方向指向节点ni的方位。节点ni收到CTS包后，将接收波束的极大值方向指向节点nj方位。通过上述握手过程，节点ni和节点nj建立了定向接收的通信链路。若某个节点收到发送给其它节点的CTS包，则应该判断是否会影响该通信链路的接收端接收DATA包。若影响接收端接收DATA包，则静默时间设置为τ+TDATA。其中，τ是网络的最大传播时延，TDATA为物理层发送DATA包所需时长。通过本文第2节分析，需要根据实际的方位与干扰距离计算以获得邻居节点是否影响目标节点接收数据。如式(17)所示，表示节点nq对接收端nj的干扰值，∠ijq表示节点向量和之间的夹角，P和P分别表示在全向接收模式下节点nq和节点ni发送的信号在节点nj处的接收功率，G(Δθ)是式(8)所示干扰夹角 Δθ条件下的空间增益。是协议规定接收端所能容忍的干扰节点数量，即表示接收端的干扰功率容忍平均值。当I＜时，节点nq不会对nj接收数据产生干扰。

注射剂口服：①氯化钾注射剂口服。临床上常使用口服氯化钾注射液补钾[10]，认为比较直接、方便、简单易行。缺点是口感苦涩，难以咽下，易出现恶心、呕吐，引起消化液丢失；应稀释于冷开水或饮料中，分次服用。②榄香稀乳注射剂口服。榄香稀乳有口服液和注射剂两种剂型。医师开具处方时恰逢口服剂型缺货，于是用注射剂代替口服剂型给患者服用。榄香稀乳注射剂说明书明确载明：该剂型口服吸收差，生物利用度仅为18.8%。药师不建议使用。

节点ni的 邻居节点可能受到节点ni发送的DATA包的干扰，导致邻居节点握手失败。节点ni的邻居节点收到发送给节点ni的CTS包时说明节点ni和节点nj已成功握手，为了避免被节点ni干扰，所以节点ni的邻居节点此时不应主动进行竞争信道。如图3所示，若节点处于灰色区域E内时将无法收到nj发送给ni的CTS包，区域E内节点无法判断节点ni和节点nj是否已成功握手，所以协议容忍节点ni对区域E处节点产生的干扰问题。

学生出示按要求变化后的图形(图略)，教者结合图形用动画演示，引导同学们后得出相关结论仍然成立．(详细过程略)

综上所示，在应用矢量水听器定向接收模式的场景中，DR-UAMC协议的定向接收握手机制设计模式如下：

(1) 某个节点收到发送给其它节点的RTS包(xRTS)时，不需要进入静默状态。

利用在线测得的信源方位信息即可通过声压和振速线性加权组合来调整矢量水听器的单边指向性，使其指向期望用户，进而屏蔽波束范围外的干扰源。为保证接收端获得最大信噪比，本文采用p+2vc的矢量组合[18]，其指向波束如图1(a)所示。

3.3 协议状态转移策略

RTS, CTS和DATA包的结构中，“包类型”、“源地址”和“目的地址”是各类包的基础字段。在CTS包中设置“接收方位”和“干扰功率平均容忍值”字段使得邻居节点可以根据式(17)判断是否干扰该定向接收链路。“DATA”包中设置“数据包号”和“数据”字段记录本次握手需要发送的实际数据。本文协议中节点状态为空闲(IDLE)、竞争(CONTEND)、静默(QUIET)、竞争静默(QUIET_CTD)、等待CTS包(WFCTS)和等待DATA包(WFDATA)。协议节点具体的状态转移策略如下：

(1) 当节点需要发送数据且状态为IDLE时，将状态切换CONTEND状态，该状态保持时间为TCTD， 其中，TCTD=Random(0,WCTD)， Random(a,b)表示取a与b之间的随机数，WCTD表示最大竞争窗口时间(WCTD=τ+TCTS)。当TCTD结束后，节点将当前时间写入RTS包的时间戳中并广播该包。

(2) 当节点收到RTS包时，若节点状态是IDLE、CONTEND或QUIET_CTD，首先根据RTS包的接收功率和本节点处环境噪声功率按照式(17)计算本次接收的δth值，然后将本次接收到RTS包的接收方位和δth值写入CTS包中并广播该包。最后，本节点切换为WFCTS状态(状态保持时长为 2τ+TCTS，其中TCTS是物理层发送CTS包所需的时长)。若节点状态为QUIET、WFCTS或WFDATA，则保持原状态，并丢弃该包。

(3) 当节点收到xRTS包时将该包发送地址存入本节点邻居节点表中，保持原有状态不变并丢弃该包。

(4) 当节点收到CTS包时，若节点状态是WFCTS，则立即发送DATA包，发送完毕后检测缓存中是否存在数据包未发送，若存在待发送的数据包，则节点状态切换为CONTEND，进入新一轮的信道竞争阶段；若没有待发送的数据包，则节点状态切换为IDLE。

(5) 当节点收到xCTS包时，若节点为IDLE,CONTEDN, QUIET或QUIET_CTD，则需根据以下步骤判断是否在影响接收端接收DATA包。

如图3所示，假设本节点为nq，该CTS包由节点nj发送给节点ni。

近年来，国家开始重视产教融合，特别是产教融合平台的建立，初步搭建了产业与教育融通的渠道。各地方院校也纷纷推出产教融合的新举措，拓宽了产教融合的渠道。尤其是在职业教育与产业对接、人才培养模式等方面成效显著。

对于预应力混凝土连续钢构桥梁施工质量而言，决定施工质量的关键因素之一便是施工材料，因为施工结构的特殊性，对于材料的质量要求也比较苛刻[3]。对此，在桥梁施工之前需要先根据施工项目的具体情况做好施工材料的采购方案设计，并对所需要的材料进行采购，尤其是材料类型、数量以及费用等进行估算评价，并安排有责任心、具备一定工作经验的人员进行采购，采购时需要落实一定的质量监督管理措施，保障采购的材料能够有效地满足桥梁施工的质量要求，规避以次充好的现象发生。所采购的材料必须具备出厂合格证、批号、化学成分检测报告、质量保障书等，并在入场时进行适当的抽查，在确保质量无误之后才能够进行施工，提高施工质量。

(b) 由于每个节点的发送功率相同，根据节点nj在节点nq处的接收功率P，可估计出节点nq信号在节点nj处的接收功率P，即P≈P。

(6) 当节点收到DATA包时，则将本节点状态切换为IDLE。当节点收到发送给其它节点的DATA时，均保持原状态。

(7) 当WFCTS状态保持时间结束时，将状态切换为QUIET。本文协议中QUIET状态的保持时间计算方法与MACA-U协议相同，采用二进制指数退避算法。

(8) 当节点QUIET、QUIET_CTD或WFDATA状态保持时间结束后，检测缓存中是否存在数据包未发送，若存在待发送的数据包，则节点状态切换为CONTEND，进入新一轮的信道竞争阶段；若没有待发送的数据包，则节点状态切换为IDLE。

4 仿真验证

在NS-3平台的水声网络UAN仿真模块上对DRLCP-MAC协议进行仿真，水声信号的传播损失采用Thorp模型[21]，定向与全向接收的信干噪比模型采用式(7)所示。与MACA-U协议和Slotted-FAMA协议在随机拓扑场景对比信道接入成本、网络吞吐量和端到端时延性能。为保证实验公平性，对MACA-U协议和Slotted-FAMA协议进行修改，即在握手成功后均切换为定向接收模式。发射换能器的声源级为 135 dB ， 解码信噪比门限为 6 dB，有效通信距离为 2 km ，载波频率为 15 kHz，通信速率为 2 kpbs。由于文献[11-13]协议场景均采用多模态换能器定向收发技术，而本文协议采用矢量水听器定向收信技术并验证该技术的网络应用可行性。基于应用场景和物理层通信硬件设备的不同，本文协议不与现有定向通信类协议进行量化对比。

（2）若CurrentLayerDepth 等于CurrentSampleDepth，则算法终止，此时，CurrentTexcoords 就是最终要输出的纹理坐标toff；

围绕学科用户对文献资源建设的共性与个性化需求分析，笔者认为在“双一流”背景下的学科化资源体系（见表1）建设，不仅要涵盖基础性文献资源和系统化的学科专业资源［9］，还要结合不同层次学科的特点与发展定位，提供评估及应用型资源保障，从而满足用户多层次的信息需求。在资源载体选择上，一方面可以遵循e-first的订购原则，同时也要适当结合学科特点与资源属性综合考虑。

网络拓扑范围为 4 km×4 km的海域，为保证网络覆盖率，将网络划分为16个 1 km×1 km的网格。本文进行100次随机实验，每次仿真时间为1000 s，取全部仿真结果的平均值。每个网格内随机部署一个水声通信节点。在16个节点中随机选择5个节点作为发送端，每个发送端随机选择某个邻居节点作为接收端。每个节点装配有矢量水听器，接收模式可在全向与定向之间切换，定向接收模式采用p+2vc组合指向性。DRLCP-MAC中的参数取3。

4.1 协议接入信道成本

利用仿真时间内发送RTS包的数量与成功接收到的DATA包数量之间的比值验证不同协议接入信道的成本，即每成功传输一个DATA包，需要发送多少个RTS包。仿真结果如图4所示。从图4中可以看出Slotted-FAMA的RTS/DATA比值最高，MACA-U和DRLCP-MAC的信道接入成本低于Slotted-FAMA。由于在Slotted-FAMA协议中，节点如果侦听到任意目的地址非本节点的控制包均需要进入静默退避状态。而在MACA-U和DRLCP-MAC中根据其状态转移策略进行选择性退避操作。DRLCP-MAC协议的信道接入成本低于MACAU协议，根据DRLCP-MAC的握手规则，节点收到xCTS时进行选择性静默进而允许多对通信链路存在，而在全向接收模式下的MACA-U协议中，节点若收到xCTS包，为防止发生数据碰撞则需要保持静默状态。

图4 不同发包率下的信道接入成本对比

4.2 协议网络吞吐量性能

利用仿真时间内成功传输的数据量衡量协议的网络吞吐量。仿真结果如图5 所示，协议的吞吐量与发包率呈现正比关系，当发包率增大到一定程度时，吞吐量增长缓慢达到协议性能极限。由于Slotted-FAMA将网络时间划分为固定的时隙，其吞吐量性能受到固定时隙的影响，导致吞吐量在不同网络负载下相似。MACA-U协议采用基于状态转移的机制，其对网络负载的变化适应性较强，但是由于握手机制导致的沉默区域影响，其效率低于基于定向接收机制的DRLCP-MAC。DRLCP-MAC协议利用矢量水听器的定向接收特性，建立一种基于定向收信的节点状态转移策略，缩小了沉默区域的范围，提高了网络资源的空间复用率。当发包率小于0.08时，DRLCP-MAC与MACA-U的吞吐量相似。这是因为当网络负载较小且在相同的网络时间内，DRLCP-MAC和MACA-U均可将产生的负载数据交付到下一跳节点。在高网络负载下，DRLCP-MAC的吞吐量性能明显高于MACA-U协议，这是因为随着网络负载的增加，网络数据碰撞加剧，DRLCPMAC采用基于定向接收的状态转移机制提高数据链路的并行度，减弱了网络拥塞的影响。在数据包长度为500 Byte的仿真场景中，DRLCP-MAC协议性能比数据包为250 Byte更为优良，由此可见，在高负载高数据量的情况下，DRLCP-MAC具有更高的吞吐量性能优势。

图5 不同发包率下的吞吐量对比

4.3 协议网络端到端时延性能

图6为不同发包率下端到端时延对比，可以看出信道的竞争程度随发包率的增长而加剧，导致协议的端到端时增加。Slotted-FAMA 在时隙开始时发送数据，并且每发送一个数据包需要消耗3个时隙进行握手和确认，所以Slotted-FAMA的端到端时延远大于DRLCP-MAC和MACA-U协议。MACA-U和DRLCP-MAC协议在发包率较小时端到端时延性能接近。这是由于当发包率较小时信道竞争度较低，所以定向接收的性能发挥的作用较少。随着网络负载的增加，DRLCP-MAC协议的端到端时延性能优于全向模式下的MACA-U协议。较高的网络负载会造成较为严重的网络拥塞问题，导致节点接入信道的时间成本增加。在定向接收模式下干扰范围被缩小，DRLCP-MAC的状态转移策略可建立多个并行的定向接收通信链路，所以DRLCP-MAC缓解了网络拥塞问题，保证了网络较低的端到端时延。

[36] Kane Jane, The South China Sea Dispute: Prospects for Preventive Diplomacy, The United States Institute for Peace, March 1996.

图6 不同发包率下的端到端时延对比

5 结论

本文阐述和利用矢量水听器的定向接收性能，验证了定向收信特性在水声网络中的适用性，推导了定向接收模式下网络中断模型。利用定向收信的理论，提出了定向接收低冲突率水声网络MAC协议，建立了一种基于定向收信的握手机制，设计了定向接收模式下的节点状态转移策略。在NS3平台上进行了仿真验证，仿真结果表明本文提出的DRLCPMAC协议在高网络负载的情况下比MACA-U和Slotted-FAMA协议拥有更低的信道接入成本、更高的网络吞吐量和更低的端到端时延，且可有效提升水声网络的性能。因此，在装配矢量水听器的水下组网场景中有着较高的适用性。